Uma camada de solo e/ou estrato, independentemente da sua caracterização física, quando submetida a um acréscimo de tensão provocado por uma solicitação, diferente da que poderá estar sujeito no seu estado natural, apresenta uma alteração ao seu estado natural de tensão, ocorrendo deformações. Caso se considere um meio infinito, então as deformações serão apenas verticais e serão designadas por assentamentos.
Devido à sua constituição, o solo quando sujeito a um carregamento, dá origem a um rearranjo das partículas e preenchimento de vazios, por meio de deslocação das partículas do solo, implicando a expulsão do ar ou da água existente nos interstícios, promovendo uma maior compacidade do solo. Se este se apresenta saturado, o rearranjo das partículas sólidas provoca um aumento temporário de pressão intersticial, designado por excesso de pressão
intersticial , e o assentamento só ficará concluído após dissipação total dessas pressões
em excesso. Resumidamente, de acordo com Folque (1987), a compressibilidade dos solos, quando estes são sujeitos a uma deformação, caracteriza-se fundamentalmente pelo:
Decréscimo de compressibilidade quando cresce a tensão média (Caráter
degressivo da compressibilidade).
Valor muito diminuto da parcela reversível da deformação (Irreversibilidade).
A compressibilidade, de um solo arenoso e argiloso difere muito em termos de velocidade de processamento da deformação e “memorização” das características de resistência por consequência da irreversibilidade das deformações. Num solo granular limpo e bem graduado, sem presença de finos, quando sujeito a um acréscimo de tensão , ocorrem deformações extremamente rápidas, ou seja, água e ar que preenchem os vazios são expulsos rapidamente. A drenagem é praticamente instantânea pois a velocidade de
percolação v é diretamente proporcional à permeabilidade do solo. Aplicando um acréscimo r
de tensão num solo argiloso saturado, este também apresenta assentamentos, que
comparados com solos arenosos, ocorrerão com relativa lentidão e ao longo do tempo. Haverá uma transferência gradual de tensões da fase líquida para a fase sólida, que se dá a uma velocidade que depende da permeabilidade do solo (Coelho, 1996).
Sintetizando, em termos de tipos de assentamento de solos, tem-se três tipos,
nomeadamente, o assentamento imediato Si, assentamento por consolidação primária ou
hidrodinâmica Spc e ainda o assentamento por consolidação secundária Ssc (Neves, 2004). O
assentamento imediato resulta da deformação instantânea dos solos a volume constante, seja qual for o seu grau de saturação Sr(%) e sem que se verifiquem alterações no teor em água. Tanto em solo argiloso, bem como granular, a sua quantificação é feita com base em equações derivadas da teoria da elasticidade. Solos argilosos também apresentam assentamento imediato, mas devido à sua reduzida permeabilidade, quando comparada com os solos granulares, os assentamentos maioritários são gerados ao longo do tempo, ou seja,
Spc e Ssc (fig. 2.1). O assentamento por consolidação primária ou hidrodinâmica é resultante
da variação do volume verificada em solos finos saturados, devido à expulsão da água que ocupa os vazios entre partículas. O assentamento por consolidação secundária é devido á deformação do solo sob tensão constante. Resulta de fenómenos visco-plásticos e fluência. Embora seja usual referir que, o assentamento por consolidação secundária é apenas verificado após o término da consolidação primária, ambas as consolidações têm lugar ao mesmo tempo (Bardet,1997).
Fig. 2.1 – Velocidade de deformação dos solos arenosos e argilosos (Viegas, 2002)
Com vista a uma melhor compreensão do fenómeno da consolidação, ir-se-ão apresentar alguns conceitos de base, associados à água nos solos, sua permeabilidade e apresentação da lei de escoamento de Darcy.
2.2.1. ÁGUA NOS SOLOS
O solo é um material constituído por partículas sólidas e vazios, podendo estes encontrar-se preenchidos por água, denominada de água livre ou gravítica, e/ou preenchidos por ar. A água estando em equilíbrio hidrostático, não apresentará movimento ou fluxo. Apresentará movimento quando houver diferencial de energia mecânica total (Carga Total – H, equação 2.1), movimentando-se então do ponto de energia mais elevado para um ponto de energia mais baixo.
A carga total ou energia mecânica total da água (H), num ponto constituinte de um estrato ou aterro, relativamente a um nível de referência, pode ser calculada de acordo com o Teorema de Bernoulli, que é dado pela seguinte expressão (Viegas, 2002):
2 w u v H Z 2g (2.1.) Sendo que:
H
– Carga total; w u – Altura piezométrica; 2 v 2g – Altura cinemática;Tratando-se de solos, despreza-se a altura cinemática, pois as velocidades de fluxo são pequenas, logo,
2
v 2g≈ 0.
Ao considerarem-se dois pontos distintos A e B num estrato de solo, pode-se calcular a diferença de carga hidráulica entre ambos, ou seja, a perda de carga. A relação entre a perda de carga e a distância que separa esses pontos traduz-se num gradiente hidráulico, cuja fórmula é a seguinte: h i l (2.2.) Em que: i – Gradiente hidráulico;
h – Perda de carga entre dois pontos A e B;
l – Distância entre os pontos A e B paralela ao fluxo;
2.2.2. LEI DE DARCY
Em 1856 o engenheiro Francês H. d’Arcy, através de resultados experimentais, obtidos da percolação de água através de uma amostra de solo saturada de tamanho L e área A, a partir de dois reservatórios de água a nível constante, permitiram-lhe chegar à conclusão de que a velocidade de descarga é proporcional ao gradiente hidráulico i, obtendo-se a seguinte expressão:
v k i (2.3.)
Onde v é a velocidade de descarga ou velocidade aparente, k o coeficiente de permeabilidade (m/s) e i o gradiente hidráulico. Esta equação de igualdade é valida para fluxos laminares, pois apenas nesses a linearidade representada na fórmula é válida (fig. 2.2). O fluxo laminar é válido para solos com granulometria situada entre as argilas e as areias medianamente grossas. Para solos com grande percentagem de seixos, a mesma já não é válida (Viegas, 2002).
2.2.3. PERMEABILIDADE
A permeabilidade representa a resistência que o solo oferece à passagem da água dentro dele. Este parâmetro é determinado através de dois tipos de ensaios, permeâmetro de carga constante (utilizado para solos de permeabilidade superior a 1 10 -4) e o permeâmetro de
Fig. 2.2 – Variação da velocidade aparente com o gradiente hidráulico (Viegas, 2002)
O coeficiente de permeabilidade de um solo depende da viscosidade do fluido, da curva granulométrica do solo, da distribuição e dimensão dos poros, do índice de vazios, da rugosidade das partículas sólidas, da composição mineral e do grau de saturação. Considerando a Lei de Darcy, o coeficiente de permeabilidade de um solo, k, é a velocidade aparente para um gradiente hidráulico unitário, i 1 , nas condições de aplicabilidade da mesma. Alguns valores representativos do coeficiente de permeabilidade, consoante o tipo de solo, estão apresentados de seguida no quadro 2.1.
Quadro 2.1 – Permeabilidade de alguns tipos de solos (Ortigão, 1993)
Tipos de Solos Permeabilidade Tipo de Solo k (m/s)
Solos Permeáveis
Alta Seixos > 10-3
Alta Arenoso 10-3 a 10-5
Baixa Siltes e argilas 10-5 a 10-7
Solos Impermeáveis
Muito baixa Argiloso 10-7 a 10-9
Baixíssima Argiloso < 10-9